Využití tepla z chladicí jednotky. Zuzana Spisarová Kautská

Využití tepla z chladicí jednotky

Zuzana Spisarová Kautská

Bakalářská práce 2012

ABSTRAKT Tato práce se zabývá využitím tepla z chladicí jednotky. Rekuperované teplo je využíváno z kondenzátoru chladicí jednotky pro ohřev užitkové vody. Pro stanovení výkonu a teplosměnné plochy výměníku je nutné provést bilanční výpočty a výpočet součinitele prostupu tepla. Na tyto výpočty byl napsán program v tabulkovém procesoru MS Excel s použitím programovacího jazyka Visual Basic pro vytvoření maker termodynamických a termofyzikálních dat. Jednoduchým zadáním vybraných provozních dat chladicí jednotky a užitkové vody je proveden potřebný výpočet. Kromě výpočtu výměníku je provedena i cenová kalkulace nákladů a zhodnocení jejich návratnosti. Podmínkou aplikace výměníkové stanice na rekuperované teplo z chladicí jednotky je dostatečný odběr užitkové vody.

Klíčová slova: Sdílení tepla, teplo, chladicí zařízení, rekuperované teplo, deskový výměník

ABSTRACT This thesis deals with the use of heat of refrigeration unit. Regenerated heat isused the condenser refrigeration unit for rating of service water. To determine output and heat transfer surfaces is necessary to heat balance calculations and the calculation of heat transfer coefficient. In these calculations was written in a spreadsheet program MS Excel using Visual Basic programming language for creating macros thermodynamic and thermophysical data. By simply entering data selected operating refrigeration unit and service water to make the necessary calculations. In addition to calculating the exchanger is made and price casting and evaluation of their return. The condition on the application of heat exchangers regenerated heat from refrigeration unit is sufficient service water consumption.

Keywords: Heat transfer, heat, refrigeration unit, regenerated heat, plate exchanger

Ráda bych poděkovala svému vedoucímu doc. Ing. Zdeňku Dvořákovi, CSc., který mi poskytl cenné rady a připomínky během mojí práce, dále pak Ing. Vladimíru Kautskému, za jeho rady získané celoživotní praxí v oblasti návrhů a výroby výměníků tepla. A v neposlední řadě rodině, která mi vytvořila takové podmínky, že jsem na bakalářské práci mohla pracovat.

Motto Současné poznání procesních dějů dovoluje řešit procesy s minimálními tepelnými ztrátami. Pokud je proces exotermní, je možné teplo vznikající v procesu dále využít.

Prohlašuji, že odevzdaná verze bakalářské/diplomové práce a verze elektronická nahraná do IS/STAG jsou totožné.

OBSAH ÚVOD .................................................................................................................................. 11 I

TEORETICKÁ ČÁST ............................................................................................. 12

1

SDÍLENÍ TEPLA ..................................................................................................... 13 1.1 SDÍLENÍ TEPLA VEDENÍM ...................................................................................... 13 1.1.1 Vedení tepla v desce ..................................................................................... 14 1.1.2 Vedení tepla válcovou stěnou ...................................................................... 14 1.2 SDÍLENÍ TEPLA PROUDĚNÍM .................................................................................. 15 1.2.1 Kritéria podobnosti uplatňovaná při popisu sdílení tepla prouděním .......... 16 1.2.2 Přestup tepla při nuceném proudění bez fázové přeměny ............................ 17 1.2.3 Přestup tepla při fázové přeměně ................................................................. 18 1.3 PROSTUP TEPLA .................................................................................................... 19 1.3.1 Prostup tepla rovinnou stěnou ...................................................................... 20 1.3.2 Prostup tepla válcovou stěnou ...................................................................... 21 1.4 SÁLÁNÍ ................................................................................................................. 23

2

3

BILANČNÍ ROVNICE ............................................................................................ 24 2.1

ZÁKON O ZACHOVÁNÍ ENERGIE............................................................................. 24

2.2

BILANCE HMOTNOSTI............................................................................................ 25

2.3

BILANCE ENTALPIE ............................................................................................... 25

CHLADICÍ ZAŘÍZENÍ ........................................................................................... 28

3.1 JEDNOSTUPŇOVÝ PARNÍ OBĚH .............................................................................. 28 3.1.1 Přivádění tepla .............................................................................................. 29 3.1.2 Stlačování (komprese) .................................................................................. 30 3.1.3 Odvádění tepla.............................................................................................. 30 3.1.4 Škrcení.......................................................................................................... 30 3.2 CHLADIVA ............................................................................................................ 30 3.2.1 Požadavky na chladiva ................................................................................. 31 3.2.2 Druhy chladiva ............................................................................................. 32 3.3 ČÁSTI PARNÍHO OBĚHU ......................................................................................... 34 3.3.1 Kompresor .................................................................................................... 34 3.3.2 Kondenzátor ................................................................................................. 34 3.3.3 Výparník ....................................................................................................... 35 3.3.4 Škrticí orgán ................................................................................................. 36 3.4 URČENÍ CHLADICÍHO VÝKONU .............................................................................. 36 3.4.1 Čistý chladicí výkon ..................................................................................... 36 3.4.2 Tepelné ztráty (zisky) ................................................................................... 36 4 ZPŮSOBY ZÍSKÁVÁNÍ TEPLA ........................................................................... 38

5

6

4.1

POPIS ZJIŠTĚNÍ VÝKONU VŘAZENÉHO VÝMĚNÍKU.................................................. 38

4.2

ZPŮSOBY VYUŽITÍ ZÍSKANÉHO TEPLA ................................................................... 38

4.3

VÝHODY VYUŽITÍ ZÍSKANÉHO TEPLA .................................................................... 39

VÝMĚNÍKY TEPLA ............................................................................................... 40 5.1

ZÁKLADNÍ TYPY VÝMĚNÍKŮ ................................................................................. 40

5.2

ROZDĚLENÍ VÝMĚNÍKŮ PODLE TOKU MÉDIÍ........................................................... 41

5.3

TEPELNÝ VÝPOČET VÝMĚNÍKU ............................................................................. 41

VÝPOČET VÝMĚNÍKU ......................................................................................... 44 6.1

DATA PRO VÝPOČET VÝMĚNÍKU ........................................................................... 44

6.2

DATA PRO VÝPOČET EXPANZNÍ NÁDOBY .............................................................. 44

7

SOUHRN TEORETICKÉ ČÁSTI .......................................................................... 45

II

PRAKTICKÁ ČÁST ................................................................................................ 46

8

CÍLE PRAKTICKÉ ČÁSTI BAKALÁŘSKÉ PRÁCE ........................................ 47

9

DISPOZIČNÍ ŘEŠENÍ VÝMĚNÍKOVÉ STANICE ............................................ 48 9.1

SCHÉMA ZAPOJENÍ ................................................................................................ 48

9.2

DISPOZICE VÝMĚNÍKOVÉ STANICE ........................................................................ 49

10

VÝPOČET VÝMĚNÍKU ......................................................................................... 50

11

DISKUZE VÝPOČTU ............................................................................................. 51

12

13

11.1

ZADÁVÁNÍ A VÝPOČET V PROGRAMU HERE 1.0.................................................... 51

11.2

POPIS A OVLÁDÁNÍ PROGRAMU HERE 1.0 ............................................................. 52

11.3

BILANČNÍ ROVNICE............................................................................................... 53

11.4

VÝPOČET EXPANZNÍ NÁDRŽE................................................................................ 53

KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ VÝMĚNÍKU .............................................................. 54 12.1

KONSTRUKCE VÝMĚNÍKU ..................................................................................... 54

12.2

MATERIÁL DESEK ................................................................................................. 54

12.3

MATERIÁL K LETOVÁNÍ DESEK ............................................................................. 55

12.4

STANDARDNÍ PŘIPOJENÍ ........................................................................................ 55

EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ .......................................................................... 56 13.1

NÁKLADY INVESTICE ............................................................................................ 56

13.2

VÝNOSY Z VÝMĚNÍKOVÉ STANICE ........................................................................ 57

13.3

NÁVRATNOST INVESTICE ...................................................................................... 57

13.4

POŘÍZENÍ VÝMĚNÍKOVÉ STANICE .......................................................................... 57

ZÁVĚR - APLIKACE PRO PRAXI ................................................................................ 58 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .............................................................................. 59 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ..................................................... 61

SEZNAM OBRÁZKŮ ....................................................................................................... 67 SEZNAM PŘÍLOH............................................................................................................ 68

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická

11

ÚVOD V dnešní době, kdy je trend zvyšování ceny za energie, je zajímavé pro uživatele chladicích zařízení přemýšlet nad využíváním rekuperovaného tepla z těchto jednotek. Vhodným využitím rekuperovaného tepla je ohřev užitkové či otopné vody. Hlavním hlediskem nutným pro konečné rozhodnutí investora, je výpočet návratnosti investice na pořízení výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky. Investované prostředky budou vráceny ušetřením provozních nákladů na ohřev otopné či užitkové vody. V teoretické části bakalářské práce jsou vysvětleny základní mechanismy sdílení tepla, energetická bilance a podrobný popis jednotlivých částí chladicího zařízení s používanými médii. V dalších kapitolách je popsáno rekuperované teplo, konstrukce a typy tepelných výměníků. Nakonec jsou vypsána nepostradatelná data pro výpočet výměníkové stanice na využití tepla z chladicí jednotky. V praktické části bakalářské práce je řešen návrh technologického schéma a dispozice výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky. Hlavním aparátem výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky je výměník tepla. Pro vhodné zvolení typu výměníku je nutné znát jeho výkon a teplosměnnou plochu. Tyto výpočty jsou vysvětleny spolu s popisem užívání výpočtového programu na deskové výměníky HeRe 1.0. Kromě nákladových položek a výnosů z výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky je i popsán výpočet návratnosti investice. Vzorový příklad pro ekonomické zhodnocení je uveden v příloze. V příloze této bakalářské práce jsou také výkresy návrhu konstrukce deskového výměníku.


I. TEORETICKÁ ČÁST

12


1

13

SDÍLENÍ TEPLA

Sdílení tepla - termokinetika - je nauka o šíření tepla v prostoru a čase. Ve smyslu druhého zákona termodynamiky se teplo samovolně šíří z místa vyšší teploty do místa nižší teploty. Veličina zvaná jako tepelný tok

je kvantitativním vyjádřením procesu výměny energie

mezi systémem a okolím vlivem rozdílu teplot. Při sdílení tepla může mít tepelný tok ustálený nebo neustálený charakter. Ustálený tepelný tok je charakterizován jako teplotní rozdíl mezi jednotlivými body prostředí, tzn., že teplota je funkcí místa, nemění se však s časem. Při neustáleném tepelném toku nastává v daném prostředí akumulace tepla resp. vyčerpání tepla ze zásob, takže teploty v jednotlivých bodech prostředí a tím i teplotní rozdíly mezi jednotlivými body se mění s časem. Tepelný tok pak bude funkcí času. Podle toho, v jakém prostředí a na jakých fyzikálních základech, se pohyb tepelné energie uskutečňuje, se rozeznává sdílení tepla vedením, prouděním a sáláním. [5,6,7]

1.1 Sdílení tepla vedením Sdílení tepla vedením neboli kondukcí nastává předáváním kinetické energie mezi molekulami a elektrony vlivem teplotních rozdílů. Vedení tepla je tedy molekulárním mechanismem sdílení tepla. Molekuly a elektrony mají v místě s vyšší teplotou vyšší kinetickou energii než v místě s nižší teplotou. Sdílení tepla vedením je závislé na vlastnostech prostředí, v němž se vede teplo, tj. na vlastnostech molekul a elektronů, a na jejich vzdálenosti. Vedení tepla probíhá v látkách všech skupenství. Základním vztahem pro jednosměrné vedení tepla ve směru osy

v ustáleném stavu je

empirický Fourierův zákon vedení tepla.

(1) Součinitel tepelné vodivosti

je především materiálová vlastnost. Je též závislý na teplotě,

tlaku (hlavně u plynů), složení a na skupenství dané látky. [5,7]


14

1.1.1 Vedení tepla v desce Nejjednodušším případem vedení tepla je ustálený tepelný tok přes rovnou stěnu o tloušťce , kolmo na její povrch s plochou , přičemž povrch desky je izotermický. Deska má tepelnou vodivost

a v kladném směru osy

je uvažován pokles teploty. V Obr. 1 je vyzna-

čen směr toku tepla, tj. ve směru klesající teploty.

Obr. 1 Rozdělení teploty t napříč deskou Integrací rovnice (1) se dostává

[5,7]

(2)

1.1.2 Vedení tepla válcovou stěnou V technické praxi je častým tvarem válec. Proto se dále uvažuje dutý válec s vnitřním poloměrem

, vnějším poloměrem

a délce . Předpokládá se osově symetrické teplotní

pole a ustálený stav. Z důvodu osové symetrie teplotního pole nezávisí teplota na úhlu .


15

Obr. 2 Řez válcovou trubkou a teplotní profil Při našich zjednodušených podmínkách je možno k výsledku dojít bez integrace rovnice (1). Rovnice je tedy upravena na tvar v praxi nejčastěji používaný

[5]

(3)

1.2 Sdílení tepla prouděním V pohyblivém prostředí, tj. především v tekutinách, dochází k přenosu energie z místa o vyšší teplotě na místo o nižší teplotě cirkulačním a turbulentním pohybem částic, tj. z hlediska teorie spojitého prostředí přesunem velkých souborů molekul. Sdílení tepla prouděním nebo-li konvekcí představuje současné sdílení tepla vedením (molekulární transport tepla) a prouděním tekutiny (molární transport tepla). Podíly sdílení tepla vedením a prouděním tekutiny na celkovém transportu tepla jsou různé a záleží především na druhu proudění a termokinetických a hydrodynamických veličinách tekutiny. Sdílení tepla konvekcí se řeší v technické praxi matematicko-experimentálním postupem. Experimentálně zjištěné hodnoty se vyjadřují v bezrozměrovém tvaru pomocí kritérií podobnosti, jejichž funkce tvoří kriteriální rovnici, která je matematickým vyjádřením experimentálně sledovaného děje. Teorie podobnosti umožňuje na základě experimentálně zjištěných hodnot v jednom technickém případě, řešit výpočtem všechny geometricky, tepelně a hydrodynamicky podobné děje experimentu.


16

Podle hydrodynamických podmínek se konvekce rozděluje do dvou skupin, nucená konvekce (vyvolaná působením mechanické síly) a volná konvekce (vlivem působení gravitační síly, sdílení tepla ve vroucí vodě atd.) Podle změny fáze se konvekce rozděluje na konvekci beze změny fáze a na konvekci se změnou fáze (např. tekutina se změní na páru). Přestup tepla mezi tekutinou a stěnou je možno popsat analyticky nebo empiricky. K empirickému popisu se zpravidla používá tzv. empirický Newtonův ochlazovací zákon, kterým je definován součinitel přestupu tepla , který platí i pro ohřívání.

(4) Součinitel přestupu tepla

není materiálovou konstantou, ale složitou funkcí mnoha dal-

ších veličin. [5,6,7] 1.2.1 Kritéria podobnosti uplatňovaná při popisu sdílení tepla prouděním Součinitel přestupu tepla je obsažen v Nusseltově kritériu:

(5) kde je charakteristický rozměr (rozměr, který je kolmý na tok média) a vost média. Soubor proměnných, na kterých závisí hodnota

je tepelná vodi-

, se ovšem liší podle toho,

jak je realizováno proudění média. Hydrodynamické kritérium, charakterizující proudění média je Reynoldsovo kritérium, které se dá vyjádřit

(6) Prandtlovo kritérium zahrnuje vlastnosti média, které jsou důležité při molekulárním sdílení hybnosti a tepla.

(7)


17

Grashofovo kritérium se užívá k vyjádření intenzity cirkulace vlivem rozdílu teplot při volném proudění tekutiny.

(8) Koeficient teplotní objemové roztažnosti je definován vzorcem

[5]

(9)

1.2.2 Přestup tepla při nuceném proudění bez fázové přeměny Podélné obtékání trubek Nejjednodušší rovnice pro přestup tepla nucenou konvekcí byly získány při intenzivním turbulentním proudění v trubce, tj. /

≥ 104, a se stabilizovaným rychlostním profilem (

≥ 50). Příkladem takového vztahu je Dittusova-Boelterova rovnice:

(10) Příkladem vztahu, který platí při laminárním proudění (

≤ 2,3.103) a při stabilizovaném

rychlostním profilu, je rovnice

(11) Zde je uveden další příklad vztahu, který platí současně v turbulentní i přechodové oblasti (2,3.103 ≤

≥ 2.106) a není omezen jen na stabilizovaný rychlostní profil ( /

≥1). Jde o

Hansenův vztah

[5]

(12)

Podélné obtékání desek Střední hodnota součinitele přestupu tepla ny vyjádří rovnicí

na délce

se při laminárním proudění tekuti-


18

(13) a je omezena podmínkami (

< 105) a (0,1 <

Střední hodnota součinitele přestupu tepla

> 1000). na délce

od náběžné hrany vyjadřuje při

turbulentním obtékání desky rovnice (14) a je omezena podmínkou (5.105 <

< 107). [6]

1.2.3 Přestup tepla při fázové přeměně Kondenzace páry Styk páry se stěnou o teplotě nižší, než je kondenzační teplota při daném tlaku, vede k postupné fázové přeměně páry na kapalinu, tj. na kondenzát, a k odvodu tepla uvolněného kondenzací chladicí stěnou. Stěna, na které dochází ke kondenzaci, může být pro kondenzát smáčivá, nebo nesmáčivá. V případě smáčivé stěny tvoří kondenzát na stěně film filmová kondenzace. V opačném případě vytváří kondenzát na stěně kapky, a kondenzace se proto nazývá kapková. U filmové kondenzace lze střední hodnotu součinitele přestupu tepla na výškovém úseku l kondenzačního povrchu určit z rovnice

(15) kde pro svislé trubky měr trubek); , , kondenzační stěny,

= 1,25 (l je délka trubek), pro vodorovné trubky jsou fyzikální vlastnosti kondenzátu,

= 0,75 (l je prů-

je teplota páry,

je teplota

je měrná výparná entalpie. [5]

Var kapaliny Součinitel přestupu tepla α závisí na rozdílu teplot kapalinou. Při nízkých hodnotách

mezi teplosměnnou plochou a vroucí

se bubliny netvoří. Probíhá povrchové odpařování a o

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická hodnotě

19

rozhoduje volná konvekce. Od jisté hodnoty

se začnou vytvářet bubliny pří-

mo na varném povrchu. Nastává bublinový var. Přechod kapalné fáze na parní je provázen značnou objemovou změnou, která vyvolává intenzivní pohyb u plochy tepelné výměny. Hodnotu součinitele přestupu tepla je možno odhadnout z rovnice typu (16) kde

, ,

jsou empirické konstanty charakteristické pro danou kapalinu, kvalitu varného

povrchu apod. Veličina

je tlak v soustavě. [5]

1.3 Prostup tepla Dvě média různých teplot

jsou odděleny stěnou o tloušťce

a

Teplo se sdílí z teplejšího média o teplotě

a tepelné vodivosti .

do chladnějšího média o teplotě

. Stěna je

pro chladnější médium topnou plochou, pro teplejší naopak chladicí plochou. Dělicí stěnou prochází teplo jen vedením. Je-li médiem kapalina, sdílí se teplo z kapaliny do povrchu stěny nebo naopak, prouděním a vedením. Je-li médiem plyn, sdílí se teplo do stěny nebo naopak, kromě prouděním a vedením, ještě sáláním. Teploty obou povrchů stěny nejsou známy, jsou označeny jako

a

. [9]

Obr. 3 Prostup tepla stěnou (prouděním a vedením)


20

1.3.1 Prostup tepla rovinnou stěnou Jelikož se podél stěny teplota obecně mění, vychází se ze vztahu pro elementární plochu výměny tepla

.

Prostup tepla je sdílením tepla mezi fázemi. Předpokladem je, že na rozhraní mezi fázemi nenastává akumulace a že je tam stále rovnováha. Z toho vyplývá, že teplo, které odejde z jedné fáze, přejde beze zbytku do sousední fáze a že teplota obou fází je na fázovém rozhraní stejná. Pak platí vztah

(17) Teploty na fázovém rozhraní se eliminují tak, že se vyjádří příslušné rozdíly teplot explicitně

(18)

(19)

(20) a pak se sečtou

(21) Což se upraví na tvar

(22) Rovnice prostupu tepla rovinnou stěnou se obvykle zapisuje ve tvaru (23)

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická kde se zavedl součinitel prostupu tepla

21 rovinnou stěnou vztahem

(24) Prostup tepla rovinnou stěnou složenou z několika vrstev bude vyjadřovat součinitel prostupu tepla

(25)

Obr. 4 Idealizovaný teplotní profil při prostupu tepla z média A do média B rovinnou stěnou

Používání koeficientu prostupu tepla umožňuje jednoduché vyjádření toku tepla pomocí středních teplot obou médií. V některých složitějších případech, např. když se vytváří obtížně kontrolovatelná vrstva usazenin na stěně, nevypočítává se součinitel prostupu tepla ze vztahu (25), nýbrž se používá přímo naměřených hodnot součinitele prostupu tepla. [8] 1.3.2 Prostup tepla válcovou stěnou Stanovení koeficientu prostupu tepla válcovou stěnou probíhá obdobně jako rovinou stěnou. Neuvažuje se akumulace ani zdroj tepla, předpokládá se konstantní tepelná vodivost


22

trubky a tepelná rovnováha na fázovém rozhraní. Sdílení tepla se uvažuje pouze v radiálním směru. Vyjádří se velikost elementárních ploch na straně teplejšího a chladnějšího média pomocí příslušného poloměru a elementární délky válce. Proto platí vztah

(26) Opět se eliminují teploty na fázovém rozhraní. Sečtou se rovnice

(27)

(28)

(29) a dostane se

(30) Tok tepla se pak může vyjádřit pomocí teplot obou médií

(31) Také tento vztah lze zapsat pomocí součinitele prostupu tepla. (32) A porovnáním obou posledních rovnic plyne, nahradí-li se poloměr běžnějším průměrem

(33)


23

Pokud se stěna skládá z několika vrstev, bude rovnice (33) obsahovat pro každou vrstvu zvláštní logaritmický člen. Pro stěnu složenou z

vrstev bude výraz pro délkový koeficient

prostupu tepla

[8]

(34)

1.4 Sálání Ke sdílení tepla sáláním dochází mezi dvěma tělesy tak, že se z jednoho tělesa energie ve formě elektromagnetického vlnění přenáší na druhé těleso. Tento proces je kvantitativně vyjadřován jako tepelný tok. Celkový tok zářivé energie tok

dopadající na těleso může být zčásti odražen (reflexe) jako

, zčásti pohlcen (absorpce) jako tok

a zčásti propuštěn (transparence) jako tok

Platí: (35) Relativní míry jednotlivých toků jsou dány podílem z celkové zářivé energie. Označují se:

(36)

(37)

(38) Je zřejmé, že z rovnice (35) se dostane: [5]

(39)

.


2

24

BILANČNÍ ROVNICE

Bilance je souhrnný přehled stavů a průtoků veličin ve sledovaném systému za jednotku času. VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE

(40)

Potřebnou vědomostí pro bilancování je znalost 1. Zákona termodynamiky neboli zákona o zachování energie. [5]

2.1 Zákon o zachování energie Zákon o zachování energie vyplývá z obecného zákona o zachování hmoty, přičemž energie se pokládá za jednu z forem existence hmoty. Zákon o zachování energie nepočítá s přeměnami látky (chemickými reakcemi) v energii a lze jej proto formulovat tak, že celkové kvantum energie v termodynamické soustavě a v jejím okolí je stálé. Probíhá-li v uzavřené soustavě termodynamický děj mezi počátečním stavem 1 a konečným stavem 2, lze zákon o zachování energie formulovat pro tento děj obecně ve tvaru (41) Je-li soustava homogenní, může se místo s celkovou energií

počítat s vnitřní energií

.

Rovnice (22) pak přejde na tvar (42) U otevřené termodynamické soustavy nás v první řadě zajímá stacionární případ, kdy hmotnostní tok

protékající soustavou je konstantní. Pro tento případ má zákon o zacho-

vání energie formulovaný pro soustavu ohraničenou kontrolní plochou zahrnující vstupní průtokový průřez 1 a výstupní průtokový průřez 2 tvar (43) [6]


25

2.2 Bilance hmotnosti U celkové bilance hmotnosti se vždy vychází ze zákona o zachování hmotnosti v uzavřeném systému. Proto je zdroj hmotnosti nulový, tj. hmotnost celé směsi ani nevzniká, ani nezaniká (44) Zdroj hmotnostní složky je však nulový jen tehdy, když daná složka nepodléhá chemické přeměně nebo zvolí-li se jako složky takové útvary, které jsou při chemických reakcích zachovány (prvky, ionty, radikály apod.). Pak obdobně platí (45) Obecně však platí, že zdroj hmotnostní složky je nenulový, tj. (46) přičemž z rovnice (25) plyne

(47) Celková bilance hmotnosti vyjádřená fiktivními proudy, bude pro k-tý uzel

[5]

(48)

2.3 Bilance entalpie Při zavádění bilance entalpie se vychází z rovnice bilance celkové energie

(49) kde celková energie systému je (50)

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Přírůstek časový interval

26

potom představuje akumulaci celkové energie v systému za diferenciální . Z termodynamiky plyne, že tok entalpie

je definován rovnicí (51)

Rovnici (30) lze tedy zapsat pomocí toku entalpie

(52) Předpoklad je, že lze zanedbat změnu mechanické energie oproti změně entalpie a oproti teplu vyměňovanému s okolím. Takový případ nastává již při malé změně teploty v systému, u kterého příkon

= 0, jak

lze ilustrovat těmito výpočty měrných veličin: A. Měrná kinetická energie při rychlosti

= 1 m/s

(53) B. Měrná potenciální energie při zdvižení o výšku

= 1 m v gravitačním poli

(54) C. Přírůstek měrné entalpie kapalné vody při ohřátí z teploty 20°C na 21°C, tj. o 1 K. Hodnota

=

je z tabulek

(55) (56) Z ilustrace plyne, že při neizotermních dějích, je-li současně příkon

=0, lze obvykle

s malou chybou zanedbávat tzv. mechanické členy v bilanci celkové energie. Upravená rovnice se označuje jako bilance entalpie. Pro


27

(57) s přihlédnutím k rovnici (31) se dostane z rovnice (33) (58) kde

je rychlost akumulace vnitřní energie.

Obvykle se vyskytují kontinuální procesy, u nichž se předpokládá ustálený stav (rychlost akumulace vnitřní energie = 0). Rovnice (39) se potom zjednoduší (59) Stejně jako u materiálových bilancí v případě entalpické bilance se nahradí zdroj a akumulace fiktivními proudy. Budou se však rozlišovat fiktivní hmotné a nehmotné proudy. Fiktivní hmotné proudy vyjadřují entalpický tok

fiktivními proudy odpovídajícími che-

mické reakci a akumulaci. Stejně jako u materiálových bilancí se rozšíří celkový počet hmotných proudů na j = J. Z toho je část proudů vstupních a zbývající část jsou proudy výstupní. Fiktivní nehmotné proudy se vyjadřují úhrnně jako tepelný tok

a zdroj toku entalpie

generovaný v systému z jiného druhu energie. Rovnici (40) potom bude upravena rozšířením o příslušné členy

(60) Entalpický tok se vypočítá pomocí vztahů h1 [5]

(61)


3

28

CHLADICÍ ZAŘÍZENÍ

Chlazením se vždy rozumí odnímání tepla látkám. Účelem chlazení je odnímat teplo předmětům nebo látkám, které se tím buď ochlazují na teploty nižší než okolní, nebo se mění jejich skupenství, popřípadě se odvádí reakční teplo. Zásadní význam tu má skutečnost, že odnímat teplo určité látce může opět jen taková látka, jejíž teplota je nižší než teplota látky ochlazované. Podle druhého hlavního zákona termodynamiky nemůže teplo samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. Vytvoření podmínek pro takové umělé ochlazování látek je úkolem strojního chlazení, na které přechází teplo z tělesa, které se chladí. [1][2]

3.1 Jednostupňový parní oběh V jednostupňovém parním chladicím zařízení se chlazené látce odnímá teplo pomocí jediného chladiva. Když se v jednostupňovém parním okruhu zanedbá tepelné a tlakové ztráty, ztotožní se tento oběh s Clausius-Rankinovym oběhem.

Obr. 5 i-p diagram parního oběhu Jednostupňový parní oběh se skládá nejméně ze čtyř nutných částí - výparník, kompresor, kondenzátor, škrtící ventil.

Obr. 6 Základní uspořádání V každém prvku oběhu se koná specifický děj. [1]


29

3.1.1 Přivádění tepla Přivádění tepla z látky chlazené do chladiva je izobarický děj, při němž se ve výparníku přivádí teplo mokré páře 6 tak, že se její kapalná složka 7 varem mění na páru, o níž se v teoretickém oběhu předpokládá, že je právě nasycena (stav 1), Obr. 5. Elementární teplo, přivedené hmotové jednotce chladiva, je úsečkou 6-1, Obr. 5. Je to zároveň chladicí výkon zařízení s jednotkovým průtokem chladiva a nazývá se hmotová chladivost. Pro skutečně požadovaný chladicí výkon

je třeba, aby výparníkem a tím i ostatními částmi okruhu

obíhalo

(62) což představuje základní rovnici pro řešení celého oběhu. Chladivost vztažená na objem par vystupujících z výparníku se nazývá objemová chladivost

(63) Při chodu zařízení se tlak, a tím i teplota vypařování, ustálí jako rovnovážný stav mezi množstvím chladiva vypařeným sdílením tepla z chlazené látky a množstvím chladiva odsátým kompresorem. Je tedy otázkou správného dimenzování kompresoru, aby odsál všechny vzniklé páry v takovém celkovém a tedy i měrném objemu, který odpovídá žádané teplotě vypařování. Ve skutečném oběhu není teplota varu stálá, je-li ovlivněna hydrostatickým tlakem vysoké vrstvy vroucího chladiva, tlakovými ztrátami vroucího chladiva při průtoku výparníkem nebo působením rozpuštěného oleje. Skutečný stav vystupující páry záleží na druhu výparníku a jeho zapojení, způsobu přivádění chladiva a jeho množství atp. Nejsou-li zvláštní důvody pro odvádění par přehřátých, odvádí se do kompresoru páry přibližně syté. Odvádění par mokrých se neprovádí pro nebezpečí kapalinových rázů v kompresoru. [1]


30

3.1.2 Stlačování (komprese) Účelem stlačení (komprese) par je zvýšit jejich tlak na takovou hodnotu, při níž kondenzace proběhne za teploty vyšší, než je nejvyšší teplota ochlazující látky. Konečný tlak při kompresi je tedy určen tlakem kondenzace. Výchozí stav je v teoretickém oběhu sytá pára, ve skutečném oběhu není obecně pára vycházející z výparníku sytá a mezi výparníkem a sacím hrdlem kompresoru vznikají tlakové a tepelné ztráty. Komprese je teoreticky pochod adiabatický, ve skutečnosti polytropický. Kompresí přehřáté, syté a mírně mokré páry se u všech běžných chladiv získá pára přehřátá. [1] 3.1.3 Odvádění tepla Odvádění tepla z oběhu se uskutečňuje v podkritické oblasti izobarickým dějem 2-3-4, Obr. 5. Při něm se odnímáním tepla přehřátá pára 2 nejprve ochlazuje na stav nasycení 3 (tento pochod lze z hlediska průběhu teploty i sdílení tepla obvykle zanedbat), a potom kondenzuje na kapalinu 4. [1] 3.1.4 Škrcení Škrcení je realizačně velmi jednoduchý, ale termodynamicky nehospodárný způsob redukce tlaku chladiva z kompresního tlaku na výparný tlak. Používá se ho proto, že expanze za konání práce je z hlediska konstrukce detanderu a jeho výkonu nereálná. Jak je odvozeno v termodynamice, nemění se při škrcení entalpie a pochod je tedy znázorněn úsekem mezi body 4 a 6, Obr. 5. Škrcením vždy vznikne mokrá pára v poměrném obsahu syté páry a vroucí kapaliny. [1]

3.2 Chladiva Chladivem se nazývá látka, která v chladicím oběhu přijímá teplo při nízkém tlaku a teplotě a odevzdává je při vyšším tlaku a teplotě. Přívod a odvod tepla je spojen se změnou fáze chladiva. Vypařováním při přívodu tepla a kondenzací při jeho odvádění. Výjimkou z uvedené obecné definice je vzduch, který při plynovém oběhu konajícím vnější práci ne-


31

mění skupenství. Chladiva jsou jednoznačně označena svými chemickými značkami a názvy. [1] [3] 3.2.1 Požadavky na chladiva Požadavky, které především rozhodují o účelném použití chladiva, jsou: a) Vlastnosti termodynamické (tlaky, termodynamická dokonalost, chladivost). b) Vlastnosti fyzikální (látkové hodnoty, elektrické vlastnosti, rozpustnost s vodou a oleji, hořlavost a výbušnost). c) Vlastnosti chemické (působení na materiály, stabilita, čistota). d) Fyziologické působení na lidský organismus. e) Cena a dodací možnosti. U zařízení s parním a sorpčním oběhem se požaduje, aby tlaky neklesaly pod 1 bar (přisávání vzduchu netěsnostmi) a nepřekračovaly 20 barů (příliš těžké tlakem namáhané části). Termodynamická dokonalost se měří porovnávací účinností oběhu Rankinova a Carnotova při týchž teplotách. Objemová chladivost rozhoduje o průtočném objemu kompresorem. Proto se požaduje, aby byla velká, kromě případů, kdy další zmenšování rozměrů stroje není žádoucí. Látkové hodnoty ( , , , ) mají vliv především na součinitele přestupu tepla a průtočné odpory. Elektrické vlastnosti (nízká elektrická vodivost, vysoká elektrická pevnost) jsou rozhodující zejména u freonů, jejichž vysoká prolínavost vyžaduje řešení kompresorů, popř. čerpadel v zapouzdřené formě a uvedené vlastnosti umožňují práci motorů v parách chladiva. Rozpustnost chladiv s vodou a oleji je velmi různá od neomezené mísitelnosti až po prakticky nulovou. Hořlavost a výbušnost, vyjádřená podmínkami vzniku těchto dějů má výrazný vliv na bezpečnostní podmínky pro stavbu a provoz. Vysoká je hořlavost i výbušnost u uhlovodíků, značná u čpavku, nulová u CO2 a freonů. Chemické působení na konstrukční a provozní materiály je velmi různé.


32

Stabilita všech chladiv kromě freonů je v oblasti běžných pracovních podmínek stálá. Čistota chladiv je předepsaná normami nebo dodacími podmínkami výrobce a musí vylučovat vznik nežádoucích jevů během oběhu, jako je např. vymrzání vody, odchylky od stálé teploty změny skupenství apod. Fyziologické působení na lidský organismus se nejčastěji vyjadřuje pomocí šestistupňové stupnice. Do 1. Skupiny patří nejnebezpečnější chladiva a do 6. Skupiny patří nejbezpečnější chladiva. Neexistuje chladivo, které by optimálně splňovalo všechny požadavky, a tím spíše, že pro různé účely a provozní podmínky se tyto požadavky v jednotlivostech liší. Volba chladiva je potom výsledkem technickoekonomické úvahy, v níž je třeba uplatnit rozhodující hlediska. [1] 3.2.2 Druhy chladiva Základní rozdělení chladiv: a) Klasická a běžná chladiva (voda, čpavek) b) Uhlovodíky (metan, etan, propan, etylén, propylen) c) Halogenované uhlovodíky (freony) Voda Voda jako chladivo je charakterizována dvěma vzájemně souvisejícími význačnými vlastnostmi: -

velmi nízkými tlaky, které v používané oblasti teplot 0 až +10°C leží v mezích asi 6 až 12 mbar.

-

velmi vysokými měrnými objemy, ležícími v téže oblasti teplot mezi 100 a 200 m3/kg. I když hmotnostní chladivost je nejvyšší ze všech používaných látek, klesá objemová chladivost na hodnoty kolem 16 kJ/kg.

Následkem toho je voda použitelná v těch zařízeních, která mohou hospodárně pracovat s velkými průtočnými objemy při velmi nízkých tlacích. [1]


33

Čpavek Čpavek je jedním z nejstarších chladiv pro parní i sorpční oběhy. Může se používat pro všechny druhy objemových kompresorů středních až velkých výkonností a řidčeji i pro turbokompresory vysokých výkonností. Osvědčuje se především pro nejvyšší (kromě vody) hmotnostní chladivost i velmi vysokou objemovou chladivost, přeměřené tlaky v širokém rozsahu nejčastějších teplot -50 až +50 °C. Je výbušný, hořlavý a prudce jedovatý, avšak pronikavý zápach snižuje nebezpečí tím, že vytváří nesnesitelné ovzduší již při koncentracích nižších, než jsou životu nebezpečné. S vodou se mísí neomezeně. Po smíchání s vodou napadá mnoho kovů. S olejem se nerozpouští. [3] Uhlovodíky Společným znakem uhlovodíků je vysoká hořlavost i výbušnost, a proto jsou vhodné v chemickém a petrochemickém průmyslu, kde se pracuje s látkami podobných vlastností. Na oleje většinou působí chemicky. Některé z nich jsou při vyšších teplotách nestabilní. [1] Halogenizované uhlovodíky (freony) Freony jsou nazývány halové deriváty nasycených uhlovodíků (metanu, etanu atp.), obsahující alespoň 1 atom fluóru. Ostatní atomy jsou nahrazeny zcela nebo zčásti chlórem nebo výjimečně brómem. Použití freonů jako chladiv způsobilo ohromný rozmach chladicí techniky zvýšením bezpečnosti a v mnoha případech možností odstranit nepřímé chlazení. Zároveň vynutilo, ale i umožnilo řadu zásadních koncepčních změn v řešení zařízení samých, jako např. zapouzdřené kompresory, kompaktní řešení blokových jednotek, systémy s malou náplní chladiva. Freony mají řadu typických společných vlastností, z nichž hlavní jsou: a) Neznatelný zápach, nepatrná nebo většinou žádná jedovatost, naprostá nehořlavost a nevýbušnost. Rozkladem za vyšších teplot, popř. v přítomnosti žhavého povrchu se tvoří stopy fosgenu. Proto je ve strojovnách a místnostech s možným výskytem freonu zakázáno kouřit. b) Velmi malá korozívnost, v suchém stavu omezená na ne zcela čistý hořčík a hliník. V přítomnosti vody vznikají korozní jevy na většině konstrukčních materiálů.


34

c) Velmi široká a u některých druhů neomezená rozpustnost s oleji a tuky vůbec. Tuto vlastnost je třeba respektovat nejen při odstraňování oleje uniklého z kompresorů do okruhu, ale i při konstrukci kluzných uložení. d) Neobyčejně velká prolínavost, vynucující použití naprosto hutných materiálů, minimálního počtu dobře těsnících spojů a co nejkompaktnější konstrukce. e) Mizivá rozpustnost vody. Voda v množství nad stanovenou mezí se chová jako voda volná a tuhne při poklesu teploty vody pod 0 °C. Protože k tomuto poklesu dochází ve škrticím orgánu, tj. v nejužším průtočném průřezu celého okruhu, narušuje se tím celá funkce zařízení. To, že takto vzniká převážná většina poruch malých zařízení, nutí k mimořádným opatřením ve výrobě i v provoze. f) Vysoké výrobní náklady, dané jak vlastní základní technologií, tak velmi přísnými požadavky čistoty. [1] [3]

3.3 Části parního oběhu 3.3.1 Kompresor V chladicí technice odsává kompresor páry chladiva z výparníku tak, aby tam udržoval žádaný tlak, a stlačuje na tlak kondenzace. U oběhů plynových pak stlačuje plyn a ten v detanderu expanduje. Typy kompresorů jsou: -

objemové - a to buď s vratným pohybem pístu, nebo s rotačním pohybem,

-

rychlostní - lopatkové radiální, výjimečně osové, anebo proudové,

-

různé (membránové, vodokružní). [1]

3.3.2 Kondenzátor Kondenzátor je výměník tepla, v němž teplo ze stlačených par přechází do chladicí látky a tím tyto páry kondenzují. Při tom se jim odebírá i přehřívací teplo v rozmezí teplot

-

.

Odnímání přehřívacího tepla nemá v podstatě vliv na pochod kondenzace, pokud oba pochody probíhají na téže teplosměnné ploše. Podle druhu látek, jimiž jsou chlazeny, se kondenzátory dělí na:


35

a) kondenzátory chlazené vodou (průtočné, sprchové, odpařovací), b) kondenzátory chlazené vzduchem (s přirozenou konvekcí, s nucenou konvekcí), c) kondenzátory chlazené vypařující se látkou. [1] [3] 3.3.3 Výparník Výparník je výměník tepla, jehož účelem je umožnit výměnu tepla mezi chladivem vypařujícím se při tlaku, který odpovídá požadované vypařovací teplotě, a ochlazovanou látkou, která odevzdává teplo vypařujícímu se chladivu. Podle druhu ochlazovaných látek se můžou výparníky dělit na: -

výparníky pro chlazení kapalin, hlavně vody a solanek,

-

výparníky pro chlazení plynů, především vzduchu,

-

výparníky pro odnímání tepla kondenzujícím látkám, chladivo v kaskádních okruzích,

-

výparníky speciální, určené pro nejrůznější technologické pochody.

Podle způsobu styku kapalného chladiva s teplosměnnou plochou se můžou výparníky rozdělit na: -

výparníky zaplavené, u nichž je prostor chladiva vyplněn kapalným chladivem tak, že teplosměnná plocha je do určité výše trvale zaplavena.

-

výparníky suché, u nichž se kapalné chladivo přivádí na teplosměnnou plochu v množství odpovídajícím vypařenému; teče ve směru odsávaných par a vypaří se dříve, než dosáhne konce teplosměnné plochy.

-

výparníky sprchové, u nichž se chladivo přivádí shora na teplosměnnou plochu v množství hmotnostně 4 až 8krát větším, než je množství vypařené; stéká po ploše a příslušná část se vypaří; zbývající chladivo se čerpadlem recirkuluje.

-

výparník s nucenou cirkulací chladiva, u nichž je recirkulované chladivo nuceně proháněno výparníkem v množství 4 až 5krát co do hmotnosti převyšujícím množství vypařené, takže bezpečně smáčí celou teplosměnnou plochu. [1] [4]


36

3.3.4 Škrticí orgán Pochodu škrcení se pro jeho realizační jednoduchost dává přednost před expanzí v pracovním stroji (detanderu), která je sice teoreticky energeticky hospodárnější, ale složitá a málo účinná. Škrcení se uskutečňuje v orgánu, jehož průtočný odpor se rovná tlakovém rozdílu

-

a je způsoben podstatným zúžením průtočného průřezu v jednom místě

nebo na značné délce. Pochod škrcení lze považovat za izoentalpický. [3]

3.4 Určení chladicího výkonu 3.4.1 Čistý chladicí výkon Pro dosažení vlastního chladicího účinku je třeba, tzv. čistého chladicího výkonu, jehož průměrná hodnota za čas

je

(64) což se rovná

(65) a jednotlivé varianty rovnice se volí s přihlédnutím k plynulosti nebo periodičnosti chladicího pochodu. Rozdíl entalpií při odnímání tepla jednosložkovým soustavám beze změny skupenství nebo s jeho změnou je dán známými vztahy

=

.

, popř.

= l. [3]

3.4.2 Tepelné ztráty (zisky) Tepelnými ztrátami se výkon zvyšuje. Podle místa výskytu tepelné ztráty, se rozlišují tyto typy: -

Užitečný chladicí výkon

definovaný jako chladicí výkon v dohodnutém místě

spotřeby chladu (66)

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Do ztrát

37

se zahrnují ty, které vznikají při vyvozování vlastního chladicího účin-

ku. -

Hrubý chladicí výkon výparníku

, který je dán součinem z průtoku chladiva a

rozdílu jeho entalpie těsně za výparníkem a těsně před ním. Současně je (67) Tepelné ztráty související s

jsou způsobeny především teplem prostupujícím

z okolí v potrubích a nádobách do chlazené látky, do chladiva, popř. do teplonosné látky a příkonem strojů pro cirkulaci těchto médií. -

Hrubý chladicí výkon kompresoru

, definovaný jako součin z průtoku chladiva

kompresorem a rozdílu entalpií chladiva v sacím hrdle kompresoru a v místě těsně před škrticím ventilem. Je dále roven (68) veškeré ztráty nízkotlaké části okruhu od místa, kde se měřilo vším teplo procházející z okolí chladiva. [1]

, tj. přede-


4

38

ZPŮSOBY ZÍSKÁVÁNÍ TEPLA

Vhodným řešením pro využití tepelné energie z chladicího zařízení je vřazením výměníku pro využití tepla mezi kompresor a kondenzační výměník chladicího okruhu.

4.1 Popis zjištění výkonu vřazeného výměníku Prvním krokem při určování výkonu výměníku pro rekuperované teplo je zjištění hmotnostního toku chladicího média. Ten se zjistí ze vztahu (69) po úpravě

(70) Výkon výměníku pro rekuperované teplo se zjistí ze součtu tepla zjevného energie uvolněné při částečné nebo úplné kondenzaci chladiva

a tepelné

.

(71) (72)

(73)

4.2 Způsoby využití získaného tepla Využitím rekuperovaného tepla se ohřívají systémy s teplonosným médiem na provozní teplotu kontinuálně, pokud možno bez nutnosti ohřívání těchto médií z jiného zdroje. Jsou různé způsoby využití získaného tepla např.: -

ohřívání teplé vody - je vhodné do provozů, kde jsou nároky na početné sprchování lidí, ještě vhodnějším využitím je časté oplachování prostor výroby, např. v masozpracující výrobě.

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická -

39

ohřívání otopné vody - použití je ve vzduchotechnických jednotkách, kdy je nutné ohřívat prostory kanceláří, výroby apod. Platí zde přímá úměra, čím větší prostor, tím lépe využito rekuperované teplo.

-

efektivita při rekuperovaném teple- tzn. že se rekuperované teplo, může vracet do toho samého systému, ze kterého bylo získáno.

4.3 Výhody využití získaného tepla Posouzení výhod využití získaného tepla je z hlediska ekonomického, kdy použitím rekuperovaného tepla se ohřívá technologie teplem, které by jinak muselo být dodáváno jiným způsobem, např. ohříváním pomocí elektrického proudu. Dalším hlediskem je kompaktnější řešení, kdy přidané zařízení v chladicím okruhu nezabírá tolik místa jako samostatně provozované zařízení určené pro ohřev. Zajímavým je také enviromentální hledisko, kdy nedochází k maření volného zdroje tepla, tzn., že aplikací výměníku pro rekuperované teplo není nutné další spalování fosilních paliv, ke kterému by docházelo v případě, kdy by nebylo využito rekuperovaného tepla.


5

40

VÝMĚNÍKY TEPLA

Výměník tepla je zařízení, jehož úkolem je zprostředkovat přenos tepla obsažený v látce A, látce B. Výměníky tepla jsou základními jednotkami rozmanitých variant teplosměnných systémů, široce využívaných ve výrobní i nevýrobní sféře. Jejich úkolem je zabezpečit realizaci technologických procesů a operací vyžadujících ohřev nebo chlazení tekutin, popř. tuhých látek různé modifikace. [6]

5.1 Základní typy výměníků Z hlediska výměny tepla mezi dvěma proudy tekutin A a B o různé teplotě se rozlišují tyto typy výměníků: a) Rekuperační výměníky - se vyznačují tím, že proud tekutiny A o vyšší teplotě je zpravidla oddělen pevnou stěnou od proudu tekutiny B, aby nedošlo ke smísení obou proudů. Pokud ke smísení proudů dojít nemůže, protože se látky A a B nemísí, je možno přepážku vynechat. V rekuperačních výměnících se sdílí teplo přestupem z jádra tekutiny A o vyšší teplotě na povrch stěny přiléhající k tekutině A, dále vedením stěnou a přestupem z povrchu stěny obtékané tekutinou B o nižší teplotě do jádra tekutiny B. b) Výměníky s tepelnými trubicemi - slouží ke sdílení tepla z proudu tekutiny A do proudu tekutiny B prostřednictvím látky C, která vyplňuje uzavřené tepelné trubice. Tepelné trubice jsou podle účelu různého druhu. Princip tepelných trubic je nejlépe popsán pomocí gravitační tepelné trubic instalované vertikálně. Využívá se vysoké hodnoty součinitele přestupu tepla při varu a kondenzaci. Látka C je při pracovních podmínkách v dolních částech trubic kapalná. Přivádí se k varu prostupem tepla z proudu A do kapaliny C. Vznikající páry látky C v horní části tepelných trubic kondenzují vlivem prostupu tepla z látky C do proudu B. Látka B se tak ohřívá. Kondenzát látky C stéká do dolní části trubice. Dochází k cirkulaci páry a kondenzátu v tepelné trubici. c) Regenerační výměníky - slouží k nepřímému sdílení tepla prostupem mezi proudem tekutin A a B prostřednictvím látky C s vysokou tepelnou kapacitou. Proces je často periodický. Nejprve proudí prostorem vyplněným např. cihlami (látka C) proud te-


41

kutiny A o vyšší teplotě. Tím se zdivo ohřeje. Poté týmž prostorem proudí chladnější látka B, která se od vyhřátého zdiva ohřeje. d) Směšovací výměníky - dochází v nich k přímému styku látky A o vyšší teplotě a látky B o nižší teplotě za vzniku směsi obou látek o teplotě ležící v rozpětí teplot látky A a B. Pokud současně probíhá přídavné vypařování či chemická reakce, může být teplota vzniklé směsi i mimo zmíněné teplotní rozpětí. Výsledná teplota směsi se určí entalpickou bilancí. [6]

5.2 Rozdělení výměníků podle toku médií V technické praxi převládají rekuperační výměníky tepla. Jejich základním tříděním je podle relativního směru proudění obou médií. Hovoří se pak o: -

výměnících s paralelním tokem,

-

výměnících s křížovým tokem,

-

výměnících se smíšeným tokem.

Výměníky s paralelním tokem mohou být souproudé, jestliže média proudí stejným směrem, a protiproudé, proudí-li protisměrně. Ve výměnících s křížovým tokem se směr proudění médií navzájem kříží, přičemž úhel překřížení může nabývat rozličných hodnot. V jednom výměníku může být současně paralelní a křížové uspořádání proudů média a pak se mu obvykle říká výměník se smíšeným tokem. Volba jednotlivých uspořádání se řídí požadovanými podmínkami sdílení tepla a hospodárnosti procesu. [6,8]

5.3 Tepelný výpočet výměníku Výpočet výměníku tepla je založen v podstatě na dvou základních rovnicích, a to na rovnici zachování energie a na rovnici sdílení tepla. Zpravidla se uvažuje stacionární sdílení tepla. Rovnice zachování energie vyjadřuje, že teplo odevzdané teplejším médiem je rovno teplu přivedenému chladnějšímu médiu, zvětšenému o tepelné ztráty. Tepelné ztráty je třeba


42

uvažovat při přesnějších výpočtech. Při předběžných výpočtech se tepelné ztráty obyčejně neuvažují, poněvadž je lze stanovit teprve po konstrukčním návrhu výměníku. V případě, že nenastává změna skupenství teplonosných látek, platí pro ohřívání látky 2 látkou 1 rovnice (74) Rovnice zachování energie nabývá poněkud jiného tvaru, když ve výměníku nastává změna skupenství teplonosných látek. V základní rovnici se může také uplatnit množství tepla vznikající při chemických reakcích nebo fyzikálními změnami. Rovnice sdílení tepla stanovuje podmínky pro teplosměnnou plochu při daném množství tepla z rovnice zachování energie. (75)

(76) Obecně se teplota média ve výměníku mění. Teplé médium se ochlazuje, studené se ohřívá. Pak se mění i teplotní rozdíl

podél teplosměnné plochy. Za těchto podmínek platí

ovšem rovnice sdílení tepla jen ve tvaru diferenciálním, vztahujícím se na element povrchu . Celkové množství tepla sdílené teplosměnnou plochou

se dostane integrací této dife-

renciální rovnice. Průběh změny teplot obou médií podél teplosměnného povrchu je závislý na schématu jejich vzájemného pohybu.

Obr. 7 Průběh teplot teplého a studeného média při souproudu a protiproudu


43

Pro souproud a protiproud jsou na Obr. 7 znázorněny průběhy obou teplotních křivek podél teplosměnného povrchu. Na ose úseček je povrch , na ose pořadnic teploty teplého a studeného média. Z Obr. 7 lze odvodit několik závěrů. U souproudů je konečná teplota studeného média

vždy menší než konečná teplota teplého média

.

U protiproudu může být konečná teplota studeného média větší, než konečná teplota teplé tekutiny. Při souproudu nelze teplejší tekutinu ochladit pod konečnou teplotu chladnější tekutiny, resp. chladnější tekutinu ohřát na konečnou teplotu teplejší tekutiny. Z toho důvodu u protiproudu lze odvést totéž množství tepla menším množstvím studené tekutiny než u souproudu nebo stejným množstvím s vyšší teplotou. Teplotní rozdíl podél teplosměnného povrchu se mění více u souproudu než u protiproudu. Střední hodnota teplotního rozdílu u protiproudu je větší než u souproudu, takže protiproudý výměník vychází plošně menší než souproudý. Při odpařování kapaliny nebo kondenzaci páry je teplota jednoho média konstantní, takže střední hodnota teplotního rozdílu je stejná u souproudu jako u protiproudu. Velikost plochy

bývá zpravidla předpokládaná taková, jak je vypočtena z geometrického

tvaru teplosměnné plochy. Ve skutečnosti může být užitečná plocha menší než geometrická, např. vlivem nesprávného proudění vytvořením mrtvých prostorů. [9]


6

44

VÝPOČET VÝMĚNÍKU

Zde jsou vyjmenovaná požadovaná data pro výpočty jednotlivých zařízení celé přídavné technologie na chladicí jednotku. Některá data jsou na vyžádání od výrobců, některá si investor určuje sám.

6.1 Data pro výpočet výměníku -

Typ chladicího média

-

Kompresor - provozní tlak

-

Chladicí výkon chladicí jednotky

-

Výparná teplota ve výparníku chladicí jednotky

-

Vstupní teplota teplonosného média

-

Výstupní teplota teplonosného média

6.2 Data pro výpočet expanzní nádoby -

Výška mezi větví expanzní nádoby a zdrojem tepla (deskový výměník)


7

45

SOUHRN TEORETICKÉ ČÁSTI

V teoretické části bakalářské práce jsou sepsány nutné informace, které vedou k pochopení návrhu výměníku a podstaty návrhového programu HeRe 1.0, který je využit v praktické části bakalářské práce. Základní principy sdílení tepla jsou popsány v první kapitole, ve které je nejdůležitější informací mechanismus prostupu tepla, což je složené sdílení tepla z konvekce a kondukce. Ve druhé kapitole je vysvětlena bilance s použitím I. zákona termodynamiky, spolu s bilancemi hmotnosti a entalpie. Ve třetí kapitole jsou popsány jednotlivé části Clausius-Rankinova cyklu, z čeho se skládá chladicí zařízení, typy používaných médií a jakým způsobem se zjistí výkon chladicího zařízení. Ve čtvrté kapitole je ukázán princip vypočítání rekuperovaného tepla a způsoby uplatnění rekuperovaného tepla. V páté kapitole jsou informace o výměnících tepla, jejich základní rozdělení a tepelný výpočet. V šesté kapitole jsou vyjmenována data, která musí být zjištěna investorem před použitím návrhového programu HeRe 1.0.


II. PRAKTICKÁ ČÁST

46


8

47

CÍLE PRAKTICKÉ ČÁSTI BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

Hlavním cílem praktické části bakalářské práce je vypočet výkonu a teplosměnná plocha výměníku v programu HeRe 1.0, který je vytvořen v tabulkovém procesoru MS Excel. Výpočet těchto údajů je proveden na základě předaných dat zájemcem o instalaci výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky. Tyto data jsou vyjmenována v kapitole 6 i v programu HeRe 1.0 na listu ZADÁNÍ. Dále se řeší schéma zapojení a dispoziční řešení výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky. Vzhledem k tomu, že každý provoz je specifický, je zde ukázán pouze návrh řešení dispozice výměníkové stanice. V kapitole výpočet výměníku je slovně popsán postup výpočtu výkonu a teplosměnné plochy výměníku. Diskuze výpočtu se zabývá popisem programu HeRe 1.0. a výpočty aparátů výměníkové stanice pro využití odpadního tepla z chladicí jednotky. Následuje konstrukční řešení deskového výměníku. Zajisté nejzajímavějším výstupem této bakalářské práce, pro investora, je ekonomické zhodnocení. Tedy stanovení nákladů na pořízení výměníkové stanice na využití tepla z chladicí jednotky a výnosů za ušetřené teplo.


9

48

DISPOZIČNÍ ŘEŠENÍ VÝMĚNÍKOVÉ STANICE

Kromě výpočtu teplosměnné plochy deskového výměníku na využití rekuperovaného tepla z chladicí jednotky, je důležité pro investora i samotné prostorové řešení výměníkové stanice. Výměníková stanice je soubor aparátů, které se skládají z výměníku tepla, čerpadla, expanzní nádrže teplonosného média, místního měření a armatur. Proto je nutné, aby investor uvažoval s dostatečným prostorem pro jednotlivé aparáty výměníkové stanice, z důvodu jejich snadné obslužnosti a údržby.

9.1 Schéma zapojení Na Obr. 8 je ukázáno základní schéma zapojení jednotlivých aparátů výměníkové stanice. Pro složitější případy musí být schéma zapojení individuální.

Obr. 8 Základní schéma zapojení


49

9.2 Dispozice výměníkové stanice

Obr. 9 Návrh dispozice výměníkové stanice Na Obr. 9 je znázorněno umístění jednotlivých aparátů výměníkové stanice. Konkrétní dispozice by neměla být řešena až po zakoupení jednotlivých aparátů, ale zároveň s návrhem výměníkové stanice a na základě provozních možností. Např. bude-li výměníková stanice umístěna v budově či mimo budovu pod přístřeškem. V případě, že odběr teplonosného média bude diskontinuální (nepravidelný), je nutné doplnit zásobní nádrž teplonosného média, ve které se bude udržovat požadovaná teplota. Pokud se požaduje zásobní nádrž na teplonosné médium velkého objemu, je vhodnější zvolit dvě menší, které objemem odpovídají původně zamýšlené nádrži, z důvodu snadnější instalace.


50

10 VÝPOČET VÝMĚNÍKU Výpočet výměníku se provádí na základě I. a II. termodynamického zákona a znalostí o sdílení tepla. Počítaný typ výměníku je deskový. Je nutné si určit, zda bude deskový či trubkový již na začátku výpočtu výměníku. Výpočet je prováděn v programu HeRe 1.0. U deskového výměníku se výpočet nejdříve provede na freonové straně, kde dochází k určení provozního tlaku ve výparníku a výparného tepla při zadané výparné teplotě. Hmotnostní tok freonu se získává z chladicího výkonu chladicí jednotky a výparného tepla při výparné teplotě. Po té se v kondenzátoru určí kondenzační teplota freonu při provozním tlaku kompresoru a výparné teplo při této kondenzační teplotě freonu. Z těchto dostupných dat se vypočítá teplo kondenzační části. Následuje výpočet teploty po kompresi, určení měrného tepla při daném tlaku a vypočítání tepla části se zjevným teplem. Teplo kondenzační části a části se zjevným teplem dohromady dává výkon výměníku. Následuje určování hodnot na vodní straně. Zjistí se měrné teplo teplonosného média a hmotnostní tok teplonosného média. Za pomocí výkonu kondenzační části se vypočítá teplota rozhraní mezi kondenzační částí a částí se zjevným teplem. Pro zjištění teplosměnné plochy výměníku je nutné znát součinitel přestupu tepla jednotlivých částí, což je v této fázi výpočtu možné provést. Na straně freonu se provádí výpočet součinitele přestupu tepla bez změny fáze a se změnou fáze. Na straně teplonosného média se provádí výpočet součinitele přestupu tepla pouze beze změny fáze. Zjištěná teplosměnná plocha vede k určení typu deskového výměníku spolu s jeho cenou. [10]

Obr. 10 Průběh teplot protiproudého výměníku


51

11 DISKUZE VÝPOČTU Pro výpočet teplosměnné plochy deskového výměníku na rekuperované teplo z chladicí jednotky a expanzní nádrže byl vytvořen program HeRe 1.0 v tabulkovém procesoru MS Excel. Součástí programu HeRe 1.0 je i cenová kalkulace spolu s vyhodnocením návratnosti investice. Autor programu HeRe 1.0 je Zuzana Spisarová Kautská, program je majetkem firmy VAKADING spol. s r.o. Zlín.

11.1 Zadávání a výpočet v programu HeRe 1.0 Na Obr. 11 je ukázáno, jak vypadá zadání vstupních dat v programu HeRe 1.0.

Obr. 11 Tabulka zadání v programu HeRe 1.0


52

Na Obr. 12 je ukázáno, jak vypadají výsledky cenové kalkulace nákladů, výpočet ušetřených nákladů s využitím tepla z chladicí jednotky a výpočet návratnosti investice.

Obr. 12 Výpočet cenové kalkulace, cena ušetřeného tepla a výpočet návratnosti investice

11.2 Popis a ovládání programu HeRe 1.0 Důležitá vstupní data jsou již vyjmenována v kapitole 6 i v listě ZADÁNÍ v programu HeRe 1.0. Typ chladicího média, provozní tlak kompresoru, chladicí výkon chladicí jednotky a výparnou teplotu ve výparníku musí být znám z průvodní dokumentace chladicí jednotky nebo na vyžádání u dodavatele chladicí jednotky. V programu HeRe 1.0 je možno vybrat mezi čtyřmi hojně používanými druhy chladicího média, konkrétně R134a, R404a, R407c, R410a. Provozní tlak kompresoru je možno zadat v rozmezí 10 až 25 bar. Chladicí výkon chladicí jednotky a výparná teplota ve výparníku nemají určeno rozmezí zadávaných hodnot.


53

Vstupní a výstupní teplota teplonosného média je zadávána dle požadavku z provozu investora, max. 70 °C. Vstupní teplota teplonosného média nesmí být větší než kondenzační teplota freonu, která je závislá na tlaku kompresoru. Dynamiku spotřeby tepla ve spotřebiči, např. předehřev vody pro sprchy, určuje investor dle požadavku provozu. Jedním z důvodů, že se nedokončí výpočet teplosměnné plochy deskového výměníku, může být problém s nízkou kondenzační teplotou na straně freonu (t1k). Problém se dá vyřešit zvýšením kompresního tlaku nebo snížením výstupní teploty teplonosného média. Program HeRe 1.0 je řešen univerzálně pro kontinuální odběr teplonosného média s co nejširším uplatněním. Pokud investor má zájem o diskontinuální provoz, tzn., že odběr teplonosného média je nárazový, je nutná konzultace s odbornou firmou, která se touto problematikou zabývá.

11.3 Bilanční rovnice Výpočet výkonu deskového výměníku probíhá na základě bilanční rovnice, kdy se teplo vyprodukované freonem rovná teplu vyprodukovaného teplonosným médiem. Bilanční rovnice platí i pro jednotlivé sekce výměníku, tzn. pro kondenzační část i pro část se zjevným teplem. (77)

11.4 Výpočet expanzní nádrže Pro výpočet provozních hodnot expanzní nádrže od firmy Reflex se musí zadat výška mezi větví expanzní nádoby a zdrojem tepla (deskovým výměníkem). Ze zadané výšky se určuje tlak plynu v nádobě po, na základě této hodnoty tlaku se stanoví tlak pojistného ventilu psv. Z výkonu deskového výměníku se vypočítá přibližný vodní objem Va, který by expanzní nádoba měla minimálně zvládat. [12]


54

12 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ VÝMĚNÍKU Vhodnými typy výměníků pro řešení využití tepla z chladicí jednotky jsou trubkové i deskové. Ale vzhledem k ekonomickému hledisku, jsou zvoleny deskové výměníky, které jsou s odpovídající kvalitou za nižší cenu, než se pohybují ceny trubkových výměníků. Deskový výměník typu B od firmy SWEP umožňuje efektivní výměnu tepla v aplikaci s malými toky a extrémními nároky na kompaktnost. Deskový výměník se snadno instaluje a používá, je malý a přitom flexibilní. [13]

12.1 Konstrukce výměníku Deskové výměníky tepla pájené na tvrdo jsou složeny z tenkých ocelových profilových desek, které mezi sebou tvoří kanálkové prostory. Desky jsou po obvodu a na styčných místech spojeny pájkou. Tím je dosaženo vysoké tuhosti s vysokou tepelnou vodivostí. [13]

Obr. 13 Deskový výměník typu B od firmy SWEP

12.2 Materiál desek Při výrobě deskových výměníků se používá nerezová ocel AISI 316, která odpovídá oceli ČSN 17 348. Deskové výměníky se také vyrábějí z oceli s vyšším přídavkem molybdenu. Má zvýšenou odolnost proti důlkové korozi a tvorbě trhlin. [13]


55

12.3 Materiál k letování desek Jednotlivé desky jsou k sobě pájené na tvrdo většinou mědí, případně niklovou pájkou pro speciální použití například pro potravinářský průmysl (tam kde předpisy nedovolují použití Cu pájky). [13]

12.4 Standardní připojení Napojení na systém primárního a sekundárního okruhu je možnost volby spojení k deskovému výměníku. Většinou vnější závit, nebo pájecí hrdlo. [13]

Obr. 14 Standardní připojení deskových výměníků firmy SWEP


56

13 EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ Investiční akce by měla probíhat v těchto krocích: -

Zpracování projektové dokumentace.

-

Vytvoření finanční a organizační základny pro realizaci projektu.

-

Realizace nabídkových řízení zahrnující vyhodnocení nabídek a výběr dodavatele.

-

Zkušební provoz a uvedení do provozu.

-

Vyhodnocení výnosů za jeden rok v provozu.

[14]

13.1 Náklady investice První nákladem na pořízení výměníkové stanice pro využití tepla z chladicí jednotky by měla být projekční dokumentace. Výhodou projekční dokumentace je získání podkladů pro výběrové řízení na dodavatele výměníkové stanice na využití tepla z chladicí jednotky. Největším nákladem je samotné pořízení výměníkové stanice, které se odvíjí od parametrů chladicí jednotky a potřeb provozu na teplou užitkovou vodu. Dalšími náklady jsou stavební úpravy. Nedají se všeobecně vyjádřit, pro každý projekt jsou individuální. Náklady na provoz a údržbu by neměli být nijak vysoké, ale je nutné počítat s tím, že jednou za čas je nutné vyměnit těsnění či ucpávku na čerpadle. Náklady na energie se odvíjejí od příkonu instalovaného čerpadla, ostatní aparáty výměníkové stanice jsou bez potřeby elektrického proudu. Jedinými pravidelnými, jednou za rok, jsou náklady na servis a údržbu tlakových zařízení, konkrétně expanzní nádoby. Vzorec pro výpočet celkových nákladů tedy je: CN = PR + PVS + SÚ + NPÚ + NE + NSÚTZ CN - celkové náklady PR - projekt realizace PVS - pořízení výměníkové stanice SÚ - stavební úpravy NPÚ - náklady na provoz a údržbu NE - náklady na energie

(78)


57

NSÚTZ - náklady na servis a údržbu tlakových zařízení

13.2 Výnosy z výměníkové stanice Výnosy z výměníkové stanice jsou ovlivněny dobou, po kterou je nutné dodávat teplou užitkovou vodu. Dále pak sazbou za kW/h a také získaným výkonem z deskového výměníku. Vzorec pro výpočet výnosů z výměníkové stanice tedy je: V = Č *VDV *S

(79)

V - výnosy z výměníkové stanice Č - čas spotřeby teplé užitkové vody VDV - výkon deskového výměníku S - sazba za kW/h

13.3 Návratnost investice Návratnost investice je stanovena s podílu celkových nákladů a výnosů z výměníkové stanice

(80) NI - návratnost investice Některé firmy mohou mít stanoveno, že návratnost investice na jejich investiční akci nesmí překročit jimi stanovenou dobu, např. 4 roky. Pokud se tak stane, je pro ně investice nezajímavá nebo hledají alternativní řešení.

13.4 Pořízení výměníkové stanice Náklady na pořízení výměníkové stanice se skládají z ceny deskového výměníku, expanzní nádoby, čerpadla, potrubního propojení spolu s armaturami, místního měření a montážní práce. První dvě položky jsou automaticky stanoveny v programu HeRe 1.0, ostatní se stanovují na základě projektu, který je zpracován dle provozních dat.


58

ZÁVĚR - APLIKACE PRO PRAXI V teoretické části bylo pojednáváno o sdílení tepla a bilančních rovnicích, které jsou důležité znát pro výpočty výměníků. Také byla podrobně popsána chladicí jednotka a vyjmenovány typy výměníků spolu s jejich výpočtem a neméně důležité způsoby získávání tepla. V praktické části v souladu se zadáním byla řešena dispozice výměníkové stanice na využití tepla z chladicí jednotky, výpočet výměníku a konstrukční řešení výměníku. V diskuzi výpočtu je rozebírán program, ve kterém se provedl výpočet výměníku spolu s ekonomickým zhodnocením. Rekuperované teplo z chladicího zařízení je zajímavé pro provozy, kde se vyskytuje chladicí zařízení a zároveň je potřeba teplé užitkové vody (teplonosného média). Těmito provozy jsou např. masozpracující firmy, hypermarkety.


59

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] DVOŘÁK, Zdeněk. Chladicí technika. 1.vyd. Brno: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1971. 216 s. [2] FENCL, Zdeněk. Strojní chlazení. 1.vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1966. 108 s. [3] DVOŘÁK, Zdeněk. Základy chladicí techniky. 1.vyd. Brno: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986. 256 s. [4] CHLUMSKÝ, Vladimír. Technika chlazení. 1.vyd. Brno: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1971. 552 s. [5] NEUŽIL, Lubomír, MÍKA, Vladimír. Chemické inženýrství I. 2.vyd. Praha: Vydavatelství VŠCHT, 1998. 464 s. ISBN 80-7080-312-6 [6] SAZIMA, Miroslav, KMONÍČEK, Vladimír, SCHNELLER, Jiří, kolektiv. Teplo. 1.vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1989. 592 s. ISBN 8003-00043-2. [7] KOSSAZSKÝ, Elemír, SUROVÝ, Julius. Chemické inžiniersto I. 3.vyd. Brno: ALFA - vydavatelstvo technickej a ekonomickej literatury, 1972. 392 s. [8] MÍKA, Vladimír. Základy chemického inženýrství. 1.vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury společně s ALFA - vydavatelstvo technickej a ekonomickej literatury, 1977. 872 s. [9] KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel. Technická termomechanika. 1.vyd. Brno: Academia, nakladatelství Československé akademie věd, 1973. 540 s. [10] ŠTĚTINA, Josef. Internetový portál fakulty strojního inženýrství VUT Brno [online]. [cit. 2012-05-01] Dostupný z [11] MÍKA, Vladimír, NEUŽIL, Lubomír, VLČEK, Jiří. Sbírka příkladů z chemického inženýrství. 2.vyd. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury společně s ALFA - vydavatelstvo technickej a ekonomickej literatury, 1981. 756 s. [12] Internetový portál firmy Reflex [online]. [cit. 2012-05-10] Dostupný z


60

[13] Internetový portál firmy SWEP, výměníky tepla [online]. [cit. 2012-05-10] Dostupný z [14] FOTR, Jiří. Podnikatelský plán. 2.vyd. Praha: Vydavatelství Grada Publishing spol. s r. o., 2001. 220 s. ISBN 80-7169-812-1


61

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK

CN

Č

h

Součinitel teplotní vodivosti

[m2.s-1]

Plocha

[m2]

Celkové náklady

[Kč]

Měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku

[J.kg-1.K-1]

Čas spotřeby teplé užitkové vody

[hod]

Průměr

[m]

Energie

[J]

Celkový tok zářivé energie

[W]

Tok energie

[W]

Tok pohlcené zářivé energie

[W]

Tok odražené zářivé energie

[W]

Tok propouštěné zářivé energie

[W]

Měrná energie

[J.kg-1]

Grashofovo kritérium

[1]

Hodnota gravitačního zrychlení

[m.s-2]

Entalpie

[J]

Tok entalpie

[W]

Molární entalpie

[J.mol-1]

Měrná entalpie

[J.kg-1]

Rozdíl měrné entalpie

[J.kg-1]


62

Součinitel prostupu tepla

[W.m-2.K-1]

Délkový součinitel prostupu tepla

[W.m-1.K-1]

Délka

[m]

Charakteristický rozměr

[m]

Potenciální výška, měřená od zvolené základní rovi- [m] ny Hmotnost

[kg]

Hmotnostní tok

[kg.s-1]

NE

Náklady na energie

[Kč]

NI

Návratnost investice

[rok-1]

NPÚ

Náklady na provoz a údržbu

[Kč]

NSÚTZ Náklady na servis a údržbu tlakových zařízení

[Kč]

Nusseltovo kritérium

[1]

Příkon

[W]

PR

Projekt realizace

[Kč]

PVS

Pořízení výměníkové stanice

[Kč]

Prandtlovo kritérium

[1]

Tlak

[Pa]

Reynoldsovo kritérium

[1]

Poloměr

[m]

Teplo

[J]

Odváděné teplo chlazené látce

[J]


63

Tepelný tok

[W]

Teplo kondenzační

[W]

Čistý chladicí výkon

[W]

Hrubý chladicí výkon kompresoru

[W]

Užitečný chladicí výkon

[W]

Hrubý chladicí výkon výparníku

[W]

Tepelný výkon výměníku

[W]

Ztráty tepla

[W]

Teplo zjevné

[W]

Hodnota intenzity tepelného toku

[J. m-2.s-1]

Hmotová chladivost

[J.kg-1]

Objemová chladivost

[J. m-3]

S

Sazba za kW/h

[Kč/kW.hod-1]

SÚ

Stavební úpravy

[Kč]

T

Kelvinova teplota

[K]

Teplotní rozdíl

[K]

Celsiova teplota

[°C]

Střední teplota tekutiny

[°C]

Teplotní rozdíl

[°C]

Logaritmický střed rozdílu teplot

[°C]


64

Vnitřní energie

[J]

Tok vnitřní energie

[W]

V

Výnosy z výměníkové stanice

[Kč/rok]

VDV

Výkon deskového výměníku

[kW]

Objemový tok

[ m3.s-1]

Hodnota rychlosti

[m.s-1]

Změna kinetické energie látky v soustavě

[m.s-1]

Práce

[J]

Směr kolmý na diferenciální izotermickou plochu [m] dA výška

[m]

Součinitel přestupu tepla

[W.m-2.K-1]

Součinitel tepelné roztažnosti

[K-1]

Tloušťka

[m]

Pohltivost

[1]

Odrazivost

[1]

Propustnost

[1]

Dynamická viskozita

[Pa.s]

Součinitel tepelné vodivosti

[W.m-1.K-1]

Kinematická viskozita

[m2.s-1]

Ludolfovo číslo

[1]




65

Hustota látky

[kg.m-3]

Čas, doba

[s]

Úhlová souřadnice

[rad]

Indexy Počáteční hodnota Konečná hodnota Médium 1 Počáteční stav Konečný stav Médium 2 Médium A Médium B Chladicí okruh Plyn Kinetická složka Vztaženo ke kompresoru Kapalina Vztaženo k čistému chlazení Potenciální složka Vztaženo ke stěně

UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Vztaženo k systému Pára Vztaženo ke stěně

66


67

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Rozdělení teploty t napříč deskou............................................................................. 14 Obr. 2 Řez válcovou trubkou a teplotní profil ..................................................................... 15 Obr. 3 Prostup tepla stěnou (prouděním a vedením) ........................................................... 19 Obr. 4 Idealizovaný teplotní profil při prostupu tepla z média A do média B rovinnou stěnou.......................................................................................................................... 21 Obr. 5 i-p diagram parního oběhu ........................................................................................ 28 Obr. 6 Základní uspořádání.................................................................................................. 28 Obr. 7 Průběh teplot teplého a studeného média při souproudu a protiproudu ................... 42 Obr. 8 Základní schéma zapojení......................................................................................... 48 Obr. 9 Návrh dispozice výměníkové stanice ....................................................................... 49 Obr. 10 Průběh teplot protiproudého výměníku .................................................................. 50 Obr. 11 Tabulka zadání v programu HeRe 1.0 .................................................................... 51 Obr. 12 Výpočet cenové kalkulace, cena ušetřeného tepla a výpočet návratnosti investice ...................................................................................................................... 52 Obr. 13 Deskový výměník typu B od firmy SWEP ............................................................. 54 Obr. 14 Standardní připojení deskových výměníků firmy SWEP ....................................... 55


SEZNAM PŘÍLOH PI:

Ukázka zadání a vypočtu vzorového případu v programu HeRe 1.0

PII:

Výkresová dokumentace teplosměnných ploch

68

PŘÍLOHA P I: UKÁZKA ZADÁNÍ A VYPOČTU VZOROVÉHO PŘÍPADU V PROGRAMU HERE 1.0

Využití tepla z chladicí jednotky. Zuzana Spisarová Kautská

Recommend Documents